Biología celular UAS-DGEP

Transcripción

1

2

3

4 Biología celular UAS-DGEP

5 biología celular Tercer año PRIMERA edición, Universidad Autónoma de Sinaloa Dirección General de Escuelas Preparatorias Academia Estatal de Biología Circuito interior oriente s.n. Ciudad Universitaria, Culiacán, Sinaloa, México. C.P Tel , fax ; ext Portada: Yeimy López Camacho Formación: Yeimy López Camacho Irán Ubaldo Sepúlveda León Cuidado de la edición: Amada Aleyda Angulo Rodríguez Alma Rebeca Galindo Uriarte Carolina Pérez Angulo Edición con fines académicos, no lucrativos.

6 Presentación El reconocimiento de que todos los seres vivos están constituidos por células, es una generalización que llega para satisfacer una búsqueda que duró muchos años en la historia del pensamiento científico, cuyo objetivo era encontrar la parte más pequeña que constituye a los seres vivos. Esta búsqueda de la unidad que caracteriza a los seres vivos como principio de organización y funcionamiento de los propios seres vivientes, pasó por grandes etapas, desde los estudios de Hipócrates, Galeno, Harvey, Descartes, Linneo, Haller, Buffon, Maupertis, Oken, hasta llegar a Schleiden, Schwann y Virchow, quienes concretaron todas las ideas precientíficas para dar forma al paradigma de la teoría celular, que sentó las bases para constituir a la biología como una ciencia. La biología celular se desarrolla a partir de la invención del microscopio. El primer trabajo donde se reportan observaciones microscópicas lo publicó en 1667 Roberto Hooke con el título Micrographia, y es en ese libro donde se reporta por primera vez a la palabra célula, término que desapareció con el tiempo y fué redescubierta hasta un siglo después. En los tiempos de 1671, Nehmiah Grew y Marcelo Malpighi, al observar al microscopio estructuras vegetales encontraron formaciones que llamaron utrículos o vesículas, que no era otra que las células vegetales. Anton Van Leeuwenhoek con su propio microscopio de mano descubre los seres unicelulares de vida libre, bacterias, protozoarios, e incluso espermatozoides y a todos ellos les llamó animálculos. Fué hasta 1838 con el trabajo de Schleiden y Schwann, en que aparece no sólo el término de célula sino la generalización conceptual de la célula como unidad de vida. Es entonces, en la primera mitad del siglo XIX cuando se genera el impacto teórico que tuvo la primera gran generalización de la biología como ciencia, que permitió el desarrollo de una de sus grandes ramas y soporte, la biología celular. Estos datos históricos y todas las investigaciones científicas que se han llevado a cabo en diferentes épocas y lugares por parte de una gran cantidad de citólogos, han conducido a ampliar el conocimiento y entendimiento acerca de este fascinante campo de la biología. En este libro se pretende presentar todos los aspectos básicos y actuales de la biología celular que están contemplados en el programa de estudio del sistema de bachillerato formal de la Universidad Autónoma de Sinaloa. Al término de cada unidad, aparece una autoevaluación cuya finalidad es reflejar el avance que el alumno ha logrado. Ademas, al final del texto se presenta una serie de seis actividades de laboratorio cuyas realizaciones básica ya que complementan el conocimiento del tema. Deseamos que el libro les sea de gran utilidad, tanto a estudiantes como a profesores, durante el desarrollo del semestre. Esperamos que nos hagan llegar sus observaciones; estamos en la mejor disposición de hacer los cambios y correcciones que se consideren pertinentes. 7 Los autores

7

8 Contenido Presentación 7 UNIDAD 1. Introducción a la Biología celular Introducción a las células 15 Unidad y diversidad de las células 18 Las células vivas tienen propiedades básicas similares 19 Historia de la Biología celular 19 Teoría celular 21 Microscopía 23 Técnicas para estudiar los componentes de la célula 26 Células procariotas 27 Estructura de la célula bacteriana (eubacterias) 29 Estructura de una arqueobacteria 33 Teoría endosimbiótica 35 Células eucariotas 37 Célula animal, vegetal, fungal y protista 38 Célula animal 38 Célula vegetal 39 Célula fungal 40 Célula protista 40 Autoevaluación 42 UNIDAD 2. Límites celulares Biomembranas, membranas biológicas o membranas celulares 49 Membrana plasmática 50 Estructura: modelo del mosaico fluido 50 Fosfolípidos 51 9

9 Contenido UAS uas Colesterol 53 Proteínas 53 Carbohidratos 54 Mecanismo de transporte de moléculas 54 Transporte de moléculas de bajo peso molecular 56 Transporte pasivo 57 Difusión simple 57 - Difusión simple a través de la bicapa 57 - Difusión simple a través de canales 59 Difusión facilitada 60 Transporte activo 60 Transporte de moléculas de elevado peso molecular 60 Paredes celulares (vegetal y fungal) 64 Pared celular vegetal 64 Pared celular fungal 68 Autoevaluación 69 UNIDAD 3. Soporte, locomoción, almacenamiento y reciclado celular Citoplasma 77 Citosol 77 Citoesqueleto 77 Filamentos de actina 79 Filamentos intermedios 80 Microtúbulos 80 Organelos microtubulares: cilios, flagelos y centriolos 82 Cilios y flagelos 82 Centríolos 84 Vacuolas 85 Lisosomas 87 Autoevaluación 91 10

10 dgep Contenido UNIDAD 4. Síntesis celular Ribosomas 97 Síntesis de proteínas 98 Transcripción 99 Traducción 102 Retículo endoplásmico 107 Retículo endoplásmico liso 108 Retículo endoplásmico rugoso 109 Aparato de Golgi 111 Autoevaluación 112 UNIDAD 5. Captura y transformación de energía Cloroplastos 119 Fotosíntesis 123 Reacciones dependientes de la luz 124 Reacciones independientes de la luz 127 Comparación de las dos fases de la fotosíntesis 128 Factores que afectan la fotosíntesis 129 Mitocondrias 130 Respiración celular 132 Glucólisis 134 Fermentación 135 Fermentación alcoholica 136 Fermentación láctica 136 Ciclo de Krebs 138 Cadena de transporte de electrones 140 Autoevaluación 143 UNIDAD 6. Control de funciones celulares y reproducción Núcleo 151 Envoltura nuclear 152 Nucleoplasma

11 Contenido uas Nucléolo 153 Cromatina y cromosomas 153 Funciones del núcleo 159 Ciclo celular 159 Interfase 160 Fase M 161 Mitosis 161 Profase 162 Prometafase 164 Metafase 165 Anafase 166 Telofase 167 Citocinesis 167 Reguladores del ciclo celular 168 Apoptosis 170 División celular de la célula procarionte 171 Reproducción sexual y meiosis 173 Meiosis 175 Meiosis I 176 Meiosis II 179 Comparativo entre los dos tipos de divisiones celulares 182 Gametogénesis 182 Espermatogénesis 182 Ovogénesis 183 Autoevaluación 185 Actividades de laboratorio Células procarióticas y células eucarióticas 193 Soluciones hipotónicas, isotónicas e hipertónicas 196 ósmosis y diálisis 200 Fenómenos de ósmosis celular: turgencia y plasmólisis 203 Cloroplastos y cromoplastos 206 Cromatina sexual X (corpúsculo de Barr) Bibliografía 213 Ilustraciones 215

12 unidad 1 Introducción a la biología celular

13

14 Introducción a las células Una pregunta fundamental en biología es qué significa estar vivo? Por ejemplo, las personas, un colibrí, un cactus y una lombriz de tierra están vivos, mientras que las piedras, las rocas y la arena, no. Pero cuales son las propiedades fundamentales que caracterizan a todos los seres vivos y los distinguen de la materia inerte o no viva? La respuesta inicia con un hecho básico, histórico en la biología, el establecimiento de la teoría celular. Este hecho ocurre a mediados del siglo XIX y marca una revolución en el pensamiento humano ya que afirma que todos los seres vivos están constituidos por células. Al igual que nosotros, cada célula que forma nuestro organismo, puede crecer, reproducirse, procesar información, responder a estímulos y llevar a cabo una asombrosa variedad de reacciones químicas. Estas habilidades definen la vida. Nosotros y otros organismos pluricelulares Membrana plasmática Centrosoma Citoplasma Núcleo Mitocondria Aparato de Golgi Cromatina Ribosoma Lisosomas Retículo endoplásmico liso Vacuola Retículo endoplásmico rugoso Figura1.1 Esquema de una célula con amplificación de sus organelos. 15

15 Unidad 1 biología celular contenemos miles de millones o billones de células organizadas en estructuras complejas, pero muchos organismos son solo una simple célula. Aún estos organismos unicelulares exhiben todas las propiedades que distinguen lo viviente, lo que indica que la célula es la unidad fundamental de la vida, es decir, la vida comienza en las células. Todos los organismos vivos están formados por células, de tal manera que ningún organismo puede ser considerado un ser vivo, si no contiene al menos una célula. La célula, como nos dice el investigador mexicano Ismael Ledezma, es la parte más pequeña que constituye a los seres vivientes, el común denominador, esto es, la unidad que caracteriza a los seres vivos, el principio o unidad fundamental para la organización y funcionamiento del cuerpo y en última instancia, de la vida. Si las células son la unidad básica de la materia viviente, nada inferior a la célula puede ser considerado un ser vivo. Los virus, por ejemplo, son paquetes compactos de información genética (en forma de ADN o de ARN) revestido, en general por Figura 1.2 Micrografía electrónica donde se observan tres mismos. En cambio, se copian solo parasitando la maquinaria proteínas, pero carecen de la capacidad de reproducirse por sí bacteriófagos adheridos e inyectando a la célula bacteriana reproductiva de las células que invaden. Los virus son inertes e su material genético para poder inactivos cuando están fuera de las células hospedadoras, pero replicarse dentro de ella. ejercen un control nocivo una vez que ingresan. Por lo tanto, a los virus no se les considera seres vivos, debido a que no pueden crecer o reproducirse por sí mismos. Los virus son estudiados por la biología porque producen numerosas enfermedades en los seres vivos. Si no produjeran enfermedades, es muy probable que no se supiera de su existencia. Algunas de estas enfermedades son: la varicela, gripe, sida, dengue, rabia, poliomielitis, hepatitis, resfrío común, etc. La biología estudia las células con base a su constitución molecular y la forma en que juntas y organizadas constituyen organismos muy complejos como el ser humano. Para comprender como funciona, se desarrolla y envejece el cuerpo humano y que falla en caso de enfermedad, es necesario conocer la estructura y el funcionamiento de las células que lo integran. Nos desarrollamos a partir de una sola célula, el cigoto. En 1827, el médico alemán Karl von Baer 16 Figura 1.3 La unión de dos células sexuales (ovocito y espermatozoide) origina un cigoto, del que se formarán aproximadamente 100 billones de células humanas.

16 uas / dgep Introducción a la Biología celular descubrió que los animales crecen a partir de ovocitos provenientes de los ovarios de la madre. La fecundación del ovocito por células espermáticas produce un cigoto, una célula visualmente pequeña de 200 micrómetros (µm) de diámetro. Todo ser humano comienza como un cigoto, en el cual están todas las instrucciones necesarias para construir el cuerpo humano, constituido por aproximadamente 100 billones de células (10 14 ), lo que es una maravilla. El desarrollo comienza con la división del cigoto en dos, cuatro y ocho células que forman el embrión en su fase más temprana. a c b Figura 1.4 Micrografías del cigoto y del desarrollo embrionario donde se observan la división del cigoto en 2, 4, 8, 16, etc., células. La continua proliferación celular y, luego la diferenciación en distintos tipos de células dan lugar a cada tejido de nuestro cuerpo. Una célula inicial resultante de la fecundación, genera cientos de diversas clases de células que difieren en contenido, forma, tamaño, color, movilidad y composición de la superficie. Los genes controlan la diversificación celular, para constituir diferentes clases de células, por ejemplo, musculares, dérmicas, óseas, neuronas, glóbulos rojos, glóbulos blancos, etc. Esto no es suficiente para producir un organismo humano. Las células deben organizarse en tejidos, órganos, aparatos o sistemas, que constituirán un nuevo ser vivo. Figura 1.5 a) Micrografía que muestra un glóbulo blanco rodeado de glóbulos rojos, b) micrografía espermatozoides humanos, (c) dibujo de neuronas. 17

17 Unidad 1 biología celular Concluyendo, las células son las unidades fundamentales de la vida, y la biología celular es el medio al que debemos recurrir para encontrar la respuesta a la pregunta de qué es la vida y cómo funciona. Además, la biología celular puede proporcionarnos respuestas a los interrogantes sobre nosotros mismos: De dónde venimos? Cómo nos desarrollamos a partir de un solo ovocito fecundado? Por qué enfermamos, envejecemos y morimos? Actualmente la biología celular es una ciencia rica, integradora que reúne las siguientes disciplinas: bioquímica, biofísica, microscopía, genética, fisiología, computación y biología del desarrollo. Cada uno de estos campos tiene su propio interés y estilo de experimentación. Unidad y diversidad de las células La mayoría de las células son invisibles para el ojo humano; presentan una sorprendente variedad de tamaños y formas. Se ha demostrado que la forma está condicionada por la función que realizan. Algunas de las células bacterianas más Tabla 1.1 Equivalencias de longitud utilizadas en microscopia. 1m = 10 3 mm = 10 6 µm = 10 9 nm = A 1mm = 10 3 µm = 10 6 nm = 10 7 A m = metro mm = milímetro µm = micrómetro nm = nanómetro A = Angstrom pequeñas tienen forma cilíndrica de menos de 1 µm de longitud, mientras que las neuronas son de forma compleja con numerosas prolongaciones delgadas que miden varios metros de longitud. La mayoría de las células vegetales miden de µm de longitud, tienen forma poligonal y pared celular rígida. En promedio, las células del reino animal miden de µm de diámetro; su membrana celular es muy delgada y flexible. 0.1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 mm 10 mm 100 mm 1 mm 1 cm 0.1 m 1 m 10 m 100 m 1 km Átomos Aminoácidos Proteína Virus Cloroplasto microscopio electrónico Células de plantas y animales Huevo de rana Bacterias Óvulo humano Hormiga Ratón Huevo de gallina Rosas Humano Ballena azul microscopio de luz Ojo humano Figura1.6 El tamaño de los seres vivos y sus componentes. Se usa algún tipo de microscopio para ver la mayoría de las células y sus niveles menores de organización biológica. Las células son visibles con el microscopio de luz pero con poco detalle, de manera que es necesario usar el microscopio electrónico para ver los organelos celulares con presición, incluso, para observar virus y las mismas moléculas que lo constituyen. 18

18 uas / dgep Introducción a la Biología celular No existe relación entre el tamaño del organismo y el tamaño de sus células; tampoco existe relación entre el tamaño celular y su función. En biología se utiliza de manera habitual el sistema métrico decimal (SMD). El centímetro es la centésima parte de un metro, el milímetro es la milésima parte del metro. Un centímetro tiene 10 milímetros. Si a un milímetro se le divide en mil partes, una de esas partes es un micrómetro (µm), es decir, el micrómetro es la milésima parte del milímetro y si a un micrómetro lo dividimos en mil partes, una de esas partes se llama nanómetro (nm), éste, es la milésima parte del micrómetro y la millonésima parte del milímetro. Algunas células se mueven con rapidez y tienen estructuras que cambian también rápidamente. Las amebas y glóbulos blancos pueden variar su forma a medida que se desplazan mediante la formación de pseudópodos. Los espermatozoides tienen un gran flagelo que les permite la locomoción. Otras células son en gran parte estacionarias y estructuralmente estables como es el caso de las células epiteliales que recubren cavidades. Las células también son muy diversas en cuanto a sus requerimientos químicos. Algunas necesitan oxígeno para vivir y para otras éste es letal. Algunas requieren poco más que aire, luz solar y agua como materiales básicos; otras necesitan una mezcla de moléculas complejas producidas por otras células. Las células vivas tienen propiedades básicas similares A pesar de que todos los organismos vivos presentan muchísimas variaciones en su aspecto exterior, son fundamentalmente similares en el interior. Actualmente, gracias a los descubrimientos de la bioquímica y de la biología molecular, se sabe que las células se parecen entre sí de una manera asombrosa en los detalles de sus propiedades químicas y que comparten la misma maquinaria para la mayoría de sus funciones básicas. Todas las células están compuestas por las mismas clases de moléculas que participan en los mismos tipos de reacciones químicas. En todos los organismos vivos, las instrucciones genéticas (genes) están almacenadas en moléculas de ADN, escritas en el mismo código químico, construidas con los mismos componentes básicos químicos, interpretadas esencialmente por la misma maquinaria química y duplicadas de la misma forma para permitir la reproducción del organismo. En cada célula, las instrucciones contenidas en el ADN son transcriptas, en ARN mensajero. A su vez, los mensajes transportados por esta molécula son traducidos a proteínas. Las proteínas están compuestas por aminoácidos, y todos los organismos vivos utilizan el mismo conjunto de 20 aminoácidos para fabricar proteínas. De esta manera, la misma maquinaria bioquímica básica, ha servido para generar toda la gran diversidad de organismos vivos. Historia de la biología celular Por lo general, las células son muy pequeñas para observarlas a simple vista. Fue gracias a la invención del microscopio en el siglo XVII que se les pudo observar. A partir de este momento y durante cientos de años, todo lo que se supo sobre las células se descubrió con este instrumento. La invención del microscopio óptico dependió de los avances en la producción y perfeccionamiento de las lentes de cristal. 19

19 Unidad 1 biología celular Figura 1.7 A la izquierda, microscopio de Robert Hooke; al centro, dibujo realizado por Hooke de las paredes celulares del tejido de corcho (corteza) y micrografía de barrido de un corte de corcho. Todo lo que se observa son las paredes celulares, ya que las células de este trozo de corcho murieron y se desintegraron, dejando los espacios vacios. Lente Aguja para colocar la muestra Figura 1.8 Leeuwenhoek, su microscopio y algunas de sus observaciones. Las células fueron descritas por primera vez en 1665 por el científico inglés Robert Hooke, en su libro Micrographia. Utilizando un microscopio que el mismo fabricó, observó un delgado corte de un trozo de corcho, dibujó y describió lo observado. Hooke eligió el término célula porque el tejido le recordaba las pequeñas habitaciones (celdas) en las que viven los monjes. Curiosamente lo que Hooke observó no eran realmente células vivas, sino las paredes celulares que quedaron después de que murieran las células vegetales del corcho. La palabra célula propuesta por Hooke desaparece en el tiempo inmediato y es redescubierta por Stefano G. Gallini y Jacob Fidelis Ackermann entre 1792 y 1793, es decir, después de más de un siglo. Paralelamente a Robert Hooke, hubo otros investigadores que querían conocer todo lo que el microscopio podía revelar. Entre ellos Marcelo Malpighi y Nehmiah Grew en 1671, por separado, estudiaron la estructura de los órganos vegetales encontrando pequeñas cavidades que llamaron utrículos o vesículas para referirse a lo que Hooke llamó células. Mucho más tarde, los científicos reconocieron que el contenido que encierran las paredes celulares es la parte más importante de las células vivas. Por aquellos mismos años, el naturalista holandés Anton Van Leeuwenhoek examinó células vivas con unas pequeñas lentes que había fabricado, ya que era un experto en el pulido de lentes y fue capaz de am- 20

20 uas / dgep Introducción a la Biología celular pliar imágenes poco más de 200 veces. Entre sus descubrimientos más importantes están las bacterias, protistas, células de la sangre y espermatozoides. Leeuwenhoek era un comerciante y no estaba formalmente preparado como científico. Sin embargo, su habilidad, curiosidad y diligencia a la hora de compartir sus descubrimientos con los científicos de la Sociedad Real de Londres, dio a conocer la vida microscópica a los científicos de todo el mundo. Desafortunadamente, Leeuwenhoek no compartió las técnicas y por eso fue que hasta 100 años después, a finales del siglo XIX, cuando los microscopios se desarrollaron lo suficiente como para que los biólogos centraran seriamente su atención en el estudio de las células. Casi durante 200 años, el microscopio óptico sería un instrumento exótico, accesible sólo para pocas personas con recursos económicos. En el siglo XIX comenzó a ser ampliamente utilizado para la observación de las células. La aparición de la biología celular como una ciencia independiente fué un proceso gradual al que contribuyeron muchos investigadores, aunque en general se considera que su nacimiento oficial está marcado por las publicaciones de dos biólogos alemanes: la del botánico Matthias Schleiden en 1838 y la del zoólogo Theodor Schwann en Publicaciones que fueron la base para el establecimiento de la teoría celular. En sus artículos Schleiden y Schwann documentaron los resultados de una investigación sistemática realizada con el microscopio óptico; de tejidos de plantas, en el caso de Schleiden, de tejidos animales por Schwann. Ambos mostraron que las células eran los componentes básicos de todos los tejidos vivos. Teoría celular En su artículo Matthias Schleiden, afirmó que todas las plantas están constituidas de células, como las que puedes ver en la figura 1.9. Mientras que Theodor Schwann, concluyó que todos los animales están formados por células. Pared celular Membrana celular Cloroplasto Citoplasma Núcleo Citoplasma Figura 1.9 La teoría celular afirma que las células son las unidades básicas de todos los seres vivos. Estas son las células de una hoja de Elodea. Compara esta micrografía con el dibujo de Hooke y verás que las células del dibujo se encuentran vacías. Figura 1.10 El zoólogo Theodor Schwann observó diversas células animales de diferentes partes del organismo y afirmó que todos los animales están hechos de células. La micrografía es de células que se nos desprenden a diario del epitelio bucal. 21

21 Unidad 1 biología celular Figura 1.11 Rudolf Virchow propone que todas las células se derivan de células existentes. Por ejemplo, para dividirse una ameba, aumenta su contenido celular y en seguida se parte en dos. Ambos científicos utilizaron el razonamiento inductivo para concluir que todas las plantas y animales estaban formadas por células. Posteriormente, el físico alemán Rudolf Virchow, observó que las células se dividían y daban lugar a células hijas. En 1855, Virchow propuso que las células nuevas se forman sólo por la división de células previamente existentes, completando así la teoría celular. El trabajo de estos tres científicos: Schleiden, Schwann y Virchow fueron confirmados por otros biólogos y contribuyeron en gran medida al desarrollo del concepto fundamental de la biología, la teoría celular, cuyos postulados son: l Todos los seres vivos están constituidos por células. l Las células son las unidades básicas de la estructura (organización) y función de los seres vivos. l Todas las células proceden de otras células, es decir, se producen nuevas células a partir de células existentes. Figura 1.12 Theodor Schwann, Matthias Schleiden y Rudolf Virchow (de arriba hacia abajo). Hacia finales del siglo XIX fueron identificados los principales organelos que se conocen ahora. La mitocondria fue observada por varios autores, y fue nombrada así por Carl Benda en 1898, el mismo año en que Camillo Golgi descubrió el aparato que lleva su nombre. En 1879, Walther Flemming, empleando el colorante de hematoxilina, descubrió que solo teñía de azul el núcleo; tiñó unos pequeños gránulos que estaban en el interior del núcleo y los llamó cromatinas. Flemming también observó y descubrió la división cromosómica que ocurre durante el proceso de la mitosis, y acuñó este término. La palabra cromosoma fue usada por primera vez por Wilhelm Waldeyer en

22 uas / dgep Introducción a la Biología celular Microscopía Una de las herramientas más importantes que usan los biólogos para estudiar las estructuras celulares es el microscopio. El microscopio óptico (MO) es el más utilizado por la mayoría de los estudiantes. Debido a que contiene varias lentes; el microscopio óptico moderno se denomina microscopio óptico compuesto. En este microscopio la luz visible pasa a través de la muestra que se está observando por medio de las lentes. Estas refractan (desvían) la luz, ampliando la imagen. La claridad con la que se puede ver un objeto pequeño, la determinan dos características: el aumento y el poder de resolución. El aumento es la diferencia entre el tamaño Figura 1.13 Protozoario Paramecium observado con el microscopio óptico. de la imagen vista con el microscopio y el tamaño real del objeto. Los mejores microscopios ópticos normalmente amplían un objeto más de 1000 veces. La resolución o poder de resolución, es la capacidad para distinguir detalles finos en una imagen; se define como la distancia mínima entre dos puntos a la cual ambos se pueden ver separados y no como un único punto borroso. El poder de resolución depende de la calidad de las lentes y de la longitud de onda de la luz de iluminación. Mientras más pequeña es la longitud de onda, la resolución aumenta. Tabla 1.2 Partes de un microscopio óptico compuesto. Parte Función Base Da soporte al microscopio Brazo Platina Pinzas Se usa para transportar el microscopio Plataforma donde se coloca la laminilla con lamuestra Sujetan la preparación microscópica Brazo Objetivo de menor aumento Oculares Oculares Objetivos Tornillo macrométrico Amplia la imagen para el usuario Lentes de menor y mayor aumento que amplificaran la muestra Se usa para enfocar la imagen bajo el objetivo de menor aumento Pinzas Tornillo macrométrico Objetivos de mayor aumento Platina Tornillo micrométrico Diafragma Tornillo más pequeño que se usa para enfocar la imagen con el objetivo de mayor aumento Controla la cantidad de luz que pasa a través de la muestra Tornillo micrométrico Base Diafragma Fuente la luz Fuente la luz Provee luz para observar la muestra 23

23 Unidad 1 biología celular La luz visible utilizada por los microscopios ópticos tiene longitudes de onda que oscilan entre los 400 y 700 nm; esto limita la resolución de estos microscopios a detalles no más pequeños que el diámetro de una célula bacteriana de aproximadamente 0.2 µm. A principios del siglo XX surgieron versiones mejoradas del microscopio óptico así como también de compuestos que teñían las diferentes estructuras celulares. Cuando los biólogos utilizaron estas herramientas, descubrieron que las células tienen muchas estructuras internas diferentes, los organelos. La contribución de los químicos orgánicos al desarrollo de colorantes biológicos, fue una valiosa aportación, ya que el interior de muchas células es transparente. Sin embargo, la mayoría de los métodos utilizados para preparar y teñir células para su observación, también las matan en el proceso. En la actualidad pueden estudiarse las células vivas utilizando microscopios ópticos con sistemas ópticos especiales: microscopio de campo brillante, microscopio de campo oscuro, microscopio de contraste de fase, microscopio de contraste de interferencia diferencial de Nomarski, microscopio de fluorescencia, microscopio confocal, etc. Aún con éstos microscopios mejorados y las técnicas para teñir células, los microscopios ópticos solo pueden distinguir los detalles más grandes de muchas de las partes de las células. En la mayoría de los casos, sólo se puede ver claramente el contorno de los organelos más grandes. Sin embargo, para obtener el máximo aumento y la mejor resolución, se debe utilizar el microscopio electrónico, que puede revelar detalles de hasta unos pocos nanómetros. En 1937, Ernst Ruska y Max Knoll, físicos alemanes, construyeron el primer microscopio electrónico. El microscopio electrónico (ME) es utilizado para estudiar los detalles más finos, es decir, la ultraestructura de las células. Su uso se generalizó en la década de La microscopía electrónica permite a los biólogos observar la estructura de las membranas biológicas, que tienen solo dos moléculas de espesor. Incluso con este microscopio se puede observar algunas de las grandes moléculas individuales de una célula. Los microscopios electrónicos proporcionan una imagen de alta resolución que se puede ampliar enormemente. Mientras que el mejor microscopio óptico tiene un poder de resolución aproximadamente 500 veces mayor que la del ojo humano, el microscopio electrónico multiplica el poder de resolución en más de 10,000 veces. 24 Ojo Ocular Objetivo Espécimen Condensador Fuente de la luz Figura 1.14 Trayectoria de la luz en un microscopio óptico.

24 uas / dgep Introducción a la Biología celular Figura 1.15 Una pequeña parte de un corte fino de Paramecium observado con el microscopio electrónico de transmisión (MET). Los dos tipos de microscopios electrónicos son: microscopio electrónico de transmisión y el microscopio electrónico de barrido. El microscopio electrónico de transmisión (met) es, en principio, similar a un microscopio óptico, pero emplea un haz de electrones en lugar de un haz de luz, y bobinas magnéticas para enfocar el haz en lugar de lentes de cristal. La muestra debe de ser muy delgada por lo que se le hacen cortes extraordinariamente finos ( nm de grosor) con una cuchilla de diamante. Enseguida se coloca el corte sobre una rejilla metálica. Por lo general, el contraste se introduce tiñendo la muestra con metales pesados. El MET tiene un aumento útil de hasta un millón de veces y, en muestras biológicas, puede resolver detalles de alrededor de 2 nm. En el microscopio electrónico de barrido (meb), el haz de electrones no pasa a través de la muestra. En su lugar ésta se recubre con una fina película de oro o algún otro metal. Cuando el haz de electrones golpea varios puntos de la superficie de la muestra, se emiten electrones secundarios cuya intensidad varía dependiendo del contorno de la superficie. Los patrones de emisión registrados de los electrones secundarios proporcionan una imagen 3-D (tridimensional) de la superficie. El MEB da información acerca de la forma y características externas de la muestra que no se pueden obtener con el MET. El MEB puede resolver detalles de un rango de 2 a 20 nm, Figura 1.16 El protozoario Paramecium observado con microscopio electrónico de barrido (MEB). lo que depende del aparato. 25

25 Unidad 1 biología celular En resumen, el MO, el MET y el MEB se enfocan utilizando principios similares. Un haz de luz o un haz de electrones se proyectan por medio de un condensador sobre la muestra y se amplifican a través del objetivo y el ocular en el caso del microscopio óptico y por el objetivo y el proyector en el caso del MET. La imagen del MET se proyecta en una pantalla fluorescente y la del MEB en una especie de pantalla de televisión. Técnicas para estudiar los componentes de la célula El ME es una herramienta potente para estudiar las estructuras celulares, pero tiene limitaciones ya que los métodos utilizados para preparar las células para microscopía electrónica las mata y pueden alterar su estructura. Para determinar las funciones de los organelos, los biólogos utilizan diversas técnicas bioquímicas. El fraccionamiento celular es una técnica para purificar diferentes partes de la célula de tal manera que se puedan estudiar mediante métodos físicos y químicos. Por lo general, las células se fraccionan tan suavemente cómo es posible y la mezcla, denominada extracto celular, se somete a una fuerza centrífuga en un instrumento llamado centrífuga. Rotor de la centrífuga Fuerza centrífuga Fuerza centrífuga Soporte con bisagra que contiene los tubos Figura 1.17 Esquema que nos muestra la centrifugación para que las partículas muy densas se depositen en el fondo del tubo y formen un sedimento. Las potentes ultracentrífugas pueden centrifugar a velocidades que superan las 100,000 revoluciones por minuto (rpm), generando una fuerza de 500,000 por G (una G equivale a la fuerza de la gravedad). La fuerza centrífuga separa el extracto en dos fracciones: un sedimento y un sobrenadante. El sedimento que se forma en el fondo del tubo contiene los materiales más pesados, los núcleos celulares. El sobrenadante es el Lisis de las células en solución amortiguada Figura 1.18 Dibujo que muestra la centrifugación diferencial. 26 Centrifugación a 600 x G Núcleos en el sedimento Centrifugación del sobrenadante a x G Centrifugación del sobrenadante a x G 10 minutos 30 minutos 90 minutos Mitocondrias y cloroplastos en el precipitado Sedimento microsomal (contiene re, Golgi y membranas plasmáticas) líquido que queda por encima del sedimento y contiene las partículas menos densas o ligeras, moléculas disueltas e iones. Después de eliminar el sedimento, el sobrenadante se pue-

26 uas / dgep Introducción a la Biología celular de nuevamente centrifugar a mayor velocidad, es decir, cada vez a mayor número de revoluciones por minuto, para obtener un sedimento que contiene los sedimentos celulares más pesados como son las mitocondrias y los cloroplastos. Esta técnica se denomina centrifugación diferencial. Las membranas y organelos de los sedimentos (precipitados) resuspendidos pueden purificarse adicionalmente mediante centrifugación en gradiente de densidad. En este procedimiento, el tubo de centrífuga se llena con una serie de soluciones de densidad decreciente. Por ejemplo, se pueden utilizar soluciones de sacarosa. La concentración de sacarosa es mayor en el fondo del tubo y disminuye gradualmente, de tal manera que la concentración menor está en la parte superior. El sedimento resuspendido se coloca en una capa sobre la parte superior del gradiente de densidad. Puesto que la densidad de los organelos es diferente, durante la centrifugación cada uno migra y forma una banda en la posición del gradiente en la que su densidad iguale la de la solución de sacarosa. Los organelos purificados se examinan mediante pruebas bioquímicas para determinar qué clase de proteínas y otras moléculas los constituyen. También se estudia la naturaleza de las reacciones químicas que tienen lugar dentro de ellos. Baja concentración de sacarosa Capa de suspensión mitocondrial El precipitado resuspendido se coloca en una capa sobre la parte superior del gradiente de sacarosa Sedimento microsomal (contiene re, Golgi y membranas plasmáticas) Gradiente de densidad de sacarosa Centrifugación del gradiente de densidad x G Alta Concentración de sacarosa Membrana plasmática Figura 1.19 La centrifugación en gradiente de densidad se realiza para que los componentes del sedimento microsomal (retículo endoplásmico, aparato de Golgi y membranas plasmáticas) puedan separarse. Golgi re Células procariotas Las células son bioquímica, estructural y funcionalmente muy complejas; se clasifican en procariotas y eucariotas. El término procariota significa antes del núcleo. Todas los seres vivos están formadas de uno de estos dos tipos de células. Las células procariontes constan de un único compartimiento cerrado rodeado por la membrana plasmática, carecen de un núcleo definido y tienen una organización interna bastante sencilla, comparada con la organización de las células eucariontes. Todos los organismos procariontes pertenecen al reino eubacteria o al reino arqueobacteria. Aunque las células procariotas no tienen compartimientos rodeados por membrana, muchas 27

27 Unidad 1 biología celular proteínas están localizadas en el interior acuoso o citosol, lo que indica que presentan una organización interna. Una sola bacteria de Escherichia coli tiene un peso seco de 25 X gramos. Se estima que 1-1,5 kilogramos del peso promedio de un ser humano se debe a las bacterias, sobre todo a las que forman la flora normal en el intestino grueso. Se han encontrado células procariontes a 11 kilómetros de profundidad en el océano y a 65 kilómetros por encima en la atmósfera; como se ve, son bastante adaptables. La cantidad de átomos de carbono almacenado en las bacterias, es casi tanto el almacenado en las plantas. Las células procariotas y eucariotas comparten características comunes, que son: Características estructurales l Membrana plasmática o plasmalema, que las separa y comunica con el exterior. l Pared celular, que rodea a la membrana celular (en eucariotas: vegetales, fungales y algunos protistas). l Ribosomas, organismos que sintetizan proteínas. l Citoplasma, que forma la mayor parte del volumen celular y en el que están inmersos los organelos celulares. l Ácido desoxirribonucleico (ADN), es el material hereditario de los genes. l Ácido ribonucleico (ARN), expresa la información contenida en el ADN. l Biomoléculas, como enzimas y otras proteínas (producto de los genes) que ponen en funcionamiento la maquinaria celular; carbohidratos, lípidos, etc. CÉLULA PROCARIOTA CÉLULA EUCARIOTA ANIMAL Membrana plasmática Citoplasma Material genético Ribosomas 0,1-10 µm µm Figura 1.20 Estructuras que comparten una célula procariota y una eucariota animal. 28

28 uas / dgep Introducción a la Biología celular Características funcionales l Nutrición. l Autorreplicación o división celular. l Metabolismo. l Crecimiento y diferenciación siguiendo un proceso genético. l Autorregulación (homeostasis). l Respuesta a estímulos del ambiente. l Evolución, etc. Las arqueobacterias y las eubacterias son los organismos más abundantes y diversos. A pesar de su pequeñez y su arquitectura simple, son fábricas bioquímicas notables que convierten moléculas simples en moléculas biológicas complejas, por ejemplo, las bacterias participan en un proceso llamado fijación de nitrógeno, convirtiendo el nitrógeno atmosférico en nitrógeno orgánico. Otras bacterias transforman las moléculas orgánicas en inorgánicas, es decir, son desintegradores. Estructura de la célula bacteriana (eubacterias) Las bacterias son células pequeñas, miden de µm de grosor y µm de largo. Las formas más comunes son las formas cilíndricas llamadas bacilos, los cuales pueden estar aislados, de dos en dos o formando cadenas. Las formas esféricas son llamados cocos y pueden estar aislados, unidos de dos en dos, formando cadenas, racimos y cubos. Algunas bacterias tienen forma helicoidal, siempre están aisladas, es decir, no se asocian entre ellas. Las que son rígidas se llaman espirilos y las que son flexibles se llaman espiroquetas. Cuando son muy cortos se llaman vibriones. Espiroqueta Coco Espirilo Figura 1.21 Cuatro formas bacterianas. Bacilo Las células bacterianas no tienen núcleo; es decir, el ADN no tiene membrana nuclear. Tampoco poseen organelos rodeados de membranas: aparato de Golgi, retículo endoplásmico, mitocondrias, lisosomas, peroxisomas, etc. Las envolturas celulares incluyen a la pared celular, la membrana plasmática y el glucocáliz. La membrana plasmática de una bacteria tiene la misma composición que la de una célula eucariótica. A la membrana plasmática se encuentran adheridas las enzimas necesarias para la respiración celular y la fotosíntesis, en el caso de baterias fotosintetizadoras. La membrana plasmática tiene la importante función de regular la entrada y salida de sustancias dentro y fuera del citoplasma ya que tiene una composición normal que necesita mantenerse constante. La membrana plasmática puede tener pronunciaciones internas llamadas mesosomas. 29

29 Unidad 1 biología celular La pared celular mantiene la estructura de la célula. Las paredes celulares bacterianas contienen peptidoglucano una molécula compleja. Algunas bacterias después de ser coloreadas para su identificación, se observan al microscopio de color violeta y se les llama Gram positivas, en cambio las que se observan de color rosa son las Gram negativas, esto es debido a su constitución química. Las bacterias Gram positivas poseen mayor cantidad de peptidoglucano en su pared celular que las Gram negativas. Gram-negativa Gram-positiva Pili Pili Flagelo Peptidoglucano Flagelo Pared celular Membrana celular Membrana celular Pared celular Figura 1.22 Esquema donde se comparan las paredes celulares de las eubacterias Gram negativa y Gram positiva. El glucocáliz es una cubierta de polisacáridos o polipéptidos o los dos tipos de moléculas, localizado por fuera de la pared celular. Cuando está firmemente adherido a la pared celular se llama cápsula. La cápsula impide que la bacteria sea fagocitada. Cuando esta difusa recibe el nombre de capa de limo. El citoplasma procariótico no tiene citoesqueleto, por lo que es una solución semifluida constituida de agua, moléculas inorgánicas y orgánicas. El citoplasma está delimitado por la membrana plasmática. Dentro de las moléculas orgánicas, se encuentran una gran variedad de enzimas que participan en muchos tipos de reacciones químicas propias del metabolismo. El citoplasma procariótico contiene reservas de glucógeno, lípidos y compuestos fosfatados. El ADN de una bacteria es un cromosoma que está localizado en una región llamada nucleoide. Muchas bacterias además tienen un cromosoma circular extra llamado plásmido. El plásmido es el material genético que las bacterias utilizan para la conjugación, produciendo así variabilidad genética. Los plásmidos son utilizados en los laboratorios de biotecnología como vectores para introducir ADN a las bacterias. Por ejemplo, una bacteria puede producir insulina humana in- 30

30 uas / dgep Introducción a la Biología celular Tabla 1.3 Estructuras de las células bacterianas. Pared celular Envoltura celular Membrana plasmática Glucocáliz Citoplasma Apéndices Nucleoide Ribosomas Tilacoides Flagelos Fimbrias Pilis sexuales troduciéndole ADN humano que contenga esta información (síntesis de insulina) al plásmido bacteriano. Anteriormente, se les administraba insulina porcina a los diabéticos causándoles problemas, porque no era insulina humana. Actualmente se les administra insulina humana, que sintetizan las bacterias que poseen plásmidos. Esta tecnología es importante en la producción de nuevos medicamentos. La gran variedad de proteínas específicas de las bacterias son sintetizadas en los ribosomas. Una célula bacteriana contiene cientos de ribosomas que son más pequeños que los ribosomas eucarióticos. Los ribosomas bacterianos contienen ARN y proteínas en dos subunidades como los de los ribosomas eucarióticos. La localización de los ribosomas es en todo el citoplasma y en la parte interna de la membrana celular. Los cuerpos de inclusión que se encuentran en el citoplasma son gránulos de diversas sustancias. Algunos son nutrientes que pueden ser desdoblados cuando son necesarios. Las cianobacterias son un tipo de bacterias fotosintéticas, al igual que las plantas. Su citoplasma contiene extensas membranas internas llamadas tilacoides donde la clorofila y otros pigmentos absorben energía solar para la producción de carbohidratos. Las cianobacterias liberan oxígeno como producto de la fotosíntesis. Cuerpo de inclusión: Almacena nutrientes para uso posterior. Pili sexual: Apéndice hueco usado para transferir adn a otra célula bacteriana. Mesosoma: Membrana plasmática que se pliega hacia el citoplasma para aumentar el área de la superficie. Ribosoma: Organelo para la síntesis de proteínas. Nucleoide: Región donde se localiza el cromosoma bacteriano. Fimbria: Cerda utilizada por la bacteria para adherirse a la superficie. Flagelo: Filamento rotatorio presente en algunas bacterias que empujan a la célula hacia adelante. Membrana plasmática: Cubierta alrededor del citoplasma para regular la entrada y salida de sustancias. Pared celular: Envoltura que proporciona soporte, da forma y protección a la célula. Glucocáliz: Envoltura gelatinosa externa que cuando está compacta se llama cápsula, y cuando está difusa recibe el nombre de capa de limo. Figura 1.23 Estructura de una célula procarionte. 31

31 Unidad 1 biología celular Los apéndices de las bacterias son: flagelos, fimbrias y los pili sexuales, todos están constituidos de proteínas. Algunas bacterias pueden desplazarse debido a los apéndices conocidos como flagelos que miden por lo general 20 nm de diámetro y de 1-70 nm de largo. Los flagelos bacterianos constan de un filamento, un gancho y un cuerpo basal. El número y localización de los flagelos son importantes para distinguir los diferentes tipos de bacterias. Existen bacterias que no poseen flagelos y solo vibran. Otras poseen un flagelo, dos flagelos (uno en cada extremo), un penacho de flagelos en un extremo, un penacho de flagelos en cada extremo o poseen flagelos en toda su superficie. Estos flagelos son más sencillos que los flagelos eucarióticos. Las fimbrias son apéndices pequeños, de 10 a cientos, en la superficie celular. Participan en la locomoción sino que sirven para que la bacteria se pueda adherir a las superficies. Los pili sexuales son estructuras tubulares rígidas usadas por las bacterias para pasar ADN del plásmido a otra célula bacteriana. Todas las bacterias se reproducen asexualmente mediante la fisión 32 Endosporas Figura 1.25 Endosporas bacterianas. Cápsula Pared celular Membrana plasmática Gancho Filamento Cuerpo basal Figura 1.24 Una célula bacteriana flagelada aumentada 13,250 veces y la estructura de un flagelo procariótico formado por un filamento, gancho, y cuerpo basal con el que puede girar 360. procarionte. Su variabilidad aumenta debido a que pueden intercambiar ADN a través de los pilis sexuales mediante el proceso llamado conjugación. Esta sexualidad bacteriana no está asociada con la reproducción. Cuando algunas bacterias que tienen forma de bacilo se encuentran en condiciones desfavorables, forman estructuras latentes protectoras llamadas endosporas.

32 uas / dgep Introducción a la Biología celular La endospora puede permanecer muchos años en latencia resistiendo las radiaciones, desinfectantes, ácidos, frío, calor, porque tiene una cubierta impenetrable y duradera. Cuando las condiciones ambientales se vuelven favorables, la endospora da origen a una célula bacteriana activa, es decir, no aumenta el número de bacterias, por lo que no es una forma de reproducción. Estructura de una arqueobacteria Las arqueobacterias son procariontes que tienen mayor diversidad de formas que las eubacterias, porque además de las formas que se ilustran en la figura 1.21, ellas pueden ser lobuladas, en forma de plato o de forma irregular. Las paredes celulares de las arqueobacterias no contienen peptidoglucano sino que contienen polisacáridos y glucoproteínas. Las membranas plasmáticas poseen lípidos ramificados a los que se les atribuye que las arqueobacterias soporten medios ambientes extremosos. La secuencia de bases de ADN y ARN de las arqueobacterias es más parecida a la de las células eucariotas que a la de las eubacterias, por lo que se supone que las arqueobacterias están más relacionadas a las células eucariotas que a las eubacterias. Las arqueobacterias viven en condiciones muy extremas tales como elevadas y muy bajas temperaturas, altas concentraciones de sal, ph muy ácidos, etc. Se han adaptado a una variedad de ambientes inhóspitos, como en las aguas de las costas de la Antártida, en el mar muerto, en pantanos, en respiraderos volcánicos, etc. En general, las células procariontes nos ayudan y nos Figura 1.27 En las aguas de las costas de la Antártida, donde vive el pingüino emperador, también viven las arqueobacterias. Figura 1.26 Micrografía de una arqueobacteria. perjudican. Las bacterias son indispensables en los ecosistemas ya que son los desintegradores de las moléculas orgánicas, es decir, las transforman en moléculas inorgánicas para que continúen los ciclos de la materia y de la energía, pero algunas causan enfermedades serias: peste bubónica por Yersinia pestis, faringitis estreptocócica por Streptococcus, tuberculosis por Micobacterium tuberculosis, ántrax maligno por Bacillus anthracis, cólera por Vibrio cholerae, intoxicación de alimentos por ciertos tipos de Escherichia coli y Salmonella. 33

33 Unidad 1 biología celular Intestino grueso Intestino delgado Figura 1.28 Las bacterias de E. coli que viven en los intestinos facilitan la digestión. Los seres humanos somos albergues móviles de bacterias, como lo son en cierta medida las plantas y los animales. Proporcionamos refugio y alimento para un número asombroso de microorganismos, con la mayor concentración en nuestros intestinos. Una bacteria muy común de los intestinos Escherichia coli es también el microorganismo experimental favorito. En respuesta a señales provenientes de bacterias como Escherichia coli, las células intestinales adquieren formas adecuadas para proporcionar un albergue donde la bacteria pueda vivir, facilitando así una digestión apropiada, debido al esfuerzo combinado de las células bacterianas e intestinales. A la inversa, la exposición a células intestinales cambia las propiedades de la bacteria, de manera tal que éstas participan más eficazmente en la digestión. Tal comunicación y respuesta es una característica común de las células. Algunas veces, el normal y pacífico mutualismo de seres humanos y bacterias, es violado por una o por ambas partes. Cuando las bacterias comienzan a crecer en lugares donde se tornan peligrosas, por ejemplo, en la circulación sanguínea o en una herida, las células de nuestro sistema inmune neutralizan o devoran a las bacterias intrusas. Los potentes antibióticos que selectivamente envenenan y destruyen a las células procariontes, provocan que disminuya nuestra respuesta inmune. El conocimiento de la biología molecular de las células bacterianas, nos permite comprender cómo las bacterias son envenenadas por los antibióticos. Por ejemplo, la penicilina Figura 1.29 Dentro de los nódulos de esta planta de leguminosa se encuentran otras células que benefician, ya que extraen el nitrógeno del aire, como la bacteria Rhizobium leguminosarum. 34 Nódulos inhibe la síntesis de peptidoglucano, molécula constituyente de las paredes celulares bacterianas. En los organismos multicelulares, la mayoría de las